(57)【要約】      （修正有）【課題】  プラズマの電子密度に依存せずに、常に高いプラズマ生成効率が得られるプラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。【解決手段】  プラズマＰを生成する空間を有するプラズマ生成容器１０と、前記プラズマ生成容器１０の壁面の少なくとも一部を構成し、前記プラズマ生成容器１０の外側から内側にマイクロ波Ｍを導入する導波体５４と、を備え、前記導波体５４を介して導入されたマイクロ波Ｍにより前記プラズマ生成容器１０内にプラズマＰを生成可能としたプラズマ発生装置であって、前記導波体５４は、前記プラズマＰに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域５４Ｔを前記プラズマＰとの間に有することを特徴とするプラズマ発生装置を提供する。【選択図】  図１
2005353364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成する空間を有するプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の壁面の少なくとも一部を構成し、前記プラズマ生成容器の外側から内側にマイクロ波を導入する導波体と、
を備え、
前記導波体を介して導入されたマイクロ波により前記プラズマ生成容器内にプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置であって、
前記導波体は、前記プラズマに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域を前記プラズマとの間に有することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記導波体は、誘電体からなり、
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて前記誘電体の充填率が略連続的に低下してなる領域であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記導波体は、誘電体からなり、
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束する断面を有する誘電体からなる複数のストライプ状の凸部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記導波体は、誘電体からなり、
前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束した誘電体からなる複数の突起を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記導波体は、誘電体からなり、
前記遷移領域は、前記導波体に設けられた先端が集束する複数の孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記遷移領域の厚みは、前記マイクロ波の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置
【請求項７】
前記導波体は、略平板状の透過窓であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記導波体は、管状の放電管であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を備え、
前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を用い、前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関し、特に、マイクロ波の表面波を用いたプラズマ発生装置、これを備えたエッチング装置などのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体や液晶ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行う装置の代表的なものして、波長数１００ＭＨｚ〜数１０ＧＨｚのマイクロ波によりプラズマを励起する「マイクロ波励起型」のプラズマ処理装置がある。マイクロ波励起型のプラズマ源は、高周波プラズマ源などに比べてプラズマ電位が低いので、ダメージ無しのレジスト・アッシング（resist ashing）や、バイアス電圧を印加した異方性エッチングなどに広く使われる。
【０００４】
処理すべき半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板は、年々大面積化が進められているため、これらをプラズマ処理するために大面積にわたって密度が高く且つ均一なプラズマを発生する装置が必要とされている。  
このような要求に対して、マイクロ波をチャンバ内に導入するための誘電体窓の内側（プラズマ側）に線状突起を設けたプラズマ処理装置が開示されている（特許文献１）。
【０００５】
図１４は、特許文献１に開示されているプラズマ処理装置の誘電体窓をプラズマ側から眺めた斜視図である。このプラズマ処理装置においては、誘電体窓６５を通過するマイクロ波は、線状突起２２を避けて通過する。すなわち、線状突起２２の間の溝６６を選択的に通過する。従って、誘電体窓６５の直下を表面波として伝搬するマイクロ波のモードに線状突起のパターンに対応した選択性が表れ、プラズマの密度を均一化することが可能となる。
【０００６】
一方、本発明者らは、誘電体窓の内側（プラズマ側）にストライプ状の凹凸を設けることにより、大面積に亘って均一なプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置を発明した（非特許文献１）。  
図１５は、本発明者らが発明したプラズマ発生装置の要部を表す模式図である。  
すなわち、このプラズマ発生装置では、断面が矩形状の導波空間を有する導波管５０を伝搬したマイクロ波は、スロットアンテナ５２を介して誘電体透過窓５４に入射する。誘電体透過窓５４には、そのプラズマ側に、断面が矩形状の凹凸５６が設けられている。凹凸５６を設けない場合、スロットアンテナ５２から放射されたマイクロ波は、スロットアンテナ５２の近傍に局在化する傾向がある。これに対して、凹凸５６を設けることにより、マイクロ波の表面波は、その凹凸５６に沿って伝搬し、透過窓５４の全面に亘って均一なプラズマを生成できる。
【特許文献１】特開２０００−２７３６４６号公報
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001) pp. L1176-L1178
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマの均一性を上げるとともに、プラズマの生成効率を上げることが極めて重要である。プラズマの生成効率を上げるためには、プラズマがマイクロ波を吸収する際の吸収率が高くなくてはならない。このためには、マイクロ波の表面波の共振電子密度と、プラズマの電子密度とがマッチングしなければならない。しかし、本発明者の詳細な検討の結果、従来のプラズマ発生装置の場合、このようなマッチングは、プラズマの電子密度が特定の値の時のみにしか得られないことが判明した。つまり、従来のプラズマ発生装置においては、プラズマ電子密度が特定の値の時のみにしか、プラズマの生成効率を高くすることができなかった。
【０００８】
本発明はかかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、プラズマの電子密度に依存せずに、常に高いプラズマ生成効率が得られるプラズマ発生装置、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のプラズマ発生装置は、プラズマを生成する空間を有するプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の壁面の少なくとも一部を構成し、前記プラズマ生成容器の外側から内側にマイクロ波を導入する導波体と、を備え、前記導波体を介して導入されたマイクロ波により前記プラズマ生成容器内にプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置であって、前記導波体は、前記プラズマに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域を前記プラズマとの間に有することを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、プラズマの電子密度に依存せずに、常に高いプラズマ生成効率が得られるプラズマ発生装置を提供することができる。
【００１１】
ここで、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて前記誘電体の充填率が略連続的に低下してなる領域であるものとすることができる。誘電体の充填率を略連続的に低下させると、実効的な誘電率を低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。
【００１２】
また、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束する断面を有する誘電体からなる複数のストライプ状の凸部を有するものとすることができる。このような凸部を設けることによっても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。
【００１３】
または、前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記プラズマに向けて先端が集束した誘電体からなる複数の突起を有するものとしても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。
【００１４】
または、  前記導波体は、誘電体からなり、前記遷移領域は、前記導波体に設けられた先端が集束する複数の孔を有するものとしても、実効的な誘電率を略連続的に低下させることができるので、プラズマの電子密度によらずに「表面波共振」を起こすことが可能となる。
【００１５】
また、前記遷移領域の厚みは、前記マイクロ波の波長よりも小さいものとすることができる。  
【００１６】
また、前記導波体は、略平板状の透過窓であるものとすれば、いわゆる平面型プラズマ発生装置を実現できる。  
【００１７】
または、前記導波体は、管状の放電管であるものとすれば、いわゆる放電管型のプラズマ発生装置を実現できる。
【００１８】
一方、本発明のプラズマ処理装置は、上記いずれかのプラズマ発生装置を備え、前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とする。  
また、本発明のプラズマ処理方法は、上記いずれかのプラズマ発生装置を用い、前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、マイクロ波を導入する導波体に遷移領域を設け、遷移領域において誘電率を略連続的に変化させることにより、プラズマの状態によらずに常に「表面波共振」を生ずることができる。すなわち、マイクロ波吸収率を常に高く維持し、プラズマの生成と維持の効率を上げることができる。  
【００２０】
その結果として、大面積の半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用基板などに対して、高い効率で安定した均一且つ迅速なエッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質あるいはプラズマドーピングなどのプラズマ処理を実施することができ、産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構造を例示する模式断面図である。この装置は、処理チャンバ１０と、この処理チャンバ１０の上面に設けられた平板状の誘電体板からなる導波体（透過窓）５４と、導波体５４の外側に設けられた導入導波管５０と、を有する。処理チャンバ１０は、導波体５４の下方の処理空間において半導体ウェーハなどの被処理物Ｗを載置して保持するためのステージ１６を有する。  
処理チャンバ１０は、真空排気系Ｅにより形成される減圧雰囲気を維持可能であり、処理空間に処理ガスを導入するためのガス導入管（図示せず）が適宜設けられている。
また、本発明においては、真空中ではなく大気圧あるいは大気圧よりも高い圧力下でプラズマを生成することも可能である。
【００２３】
そして、本実施形態においては、導波体５４の内側（プラズマ側）に、複数の突起などからなる遷移領域５４Ｔが設けられている。後に詳述するように、遷移領域５４Ｔにおいては、実効的な誘電率が、プラズマＰに向けて略連続的に低下する。このような遷移領域５４Ｔを設けることにより、プラズマＰの電子密度によらず常に高いマイクロ波吸収率が得られ、その結果として、常に高いプラズマ生成効率が得られる。
【００２４】
本実施形態のプラズマ処理装置の動作について説明すると以下の如くである。  
たとえば、このプラズマ処理装置を用いて被処理物Ｗの表面にエッチング処理を施す際には、まず、被処理物Ｗが、その表面を上方に向けた状態でステージ１６の上に載置される。次いで、真空排気系Ｅによって処理空間が減圧状態にされた後、この処理空間に、処理ガスとしてのエッチングガスが導入される。その後、処理空間に処理ガスの雰囲気が形成された状態で、図示しないマイクロ波電源から、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍが導入導波管５０に導入される。導波管５０を伝搬したマイクロ波は、スロットアンテナ５２を介して導波体５４に向けて放射される。導波体５４は、石英やアルミナなどの誘電体からなり、マイクロ波Ｍは、表面波として導波体５４の表面を伝搬し、チャンバ１０内の処理空間に放射される。このようにして処理空間に放射されたマイクロ波Ｍのエネルギーにより、処理ガスのプラズマＰが形成される。こうして発生したプラズマ中の電子密度が導波体５４を透過して供給されるマイクロ波Ｍを遮蔽できる密度（カットオフ密度）以上になると、マイクロ波は導波体５４の下面からチャンバ内の処理空間に向けて一定距離（スキンデプス）ｄだけ入るまでの間に反射され、マイクロ波の定在波が形成される。
【００２５】
すると、マイクロ波の反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定なプラズマＰが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起された安定なプラズマＰ中においては、イオンや電子が処理ガスの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子（ラジカル）などの励起活性種（プラズマ生成物）が生成される。これらプラズマ生成物は、矢印Ａで表したように処理空間内を拡散して被処理物Ｗの表面に飛来し、エッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質、プラズマドーピングなどのプラズマ処理を行うことができる。
【００２６】
以上説明したように、マイクロ波励起型のプラズマ処理装置の場合、外部から供給されたマイクロ波Ｍは、導波体５４の表面を表面波として伝搬し、プラズマＰの生成・維持に必要なエネルギーを与える。この時、プラズマＰがマイクロ波Ｍを吸収しないとエネルギーは供給されない。つまり、プラズマＰのマイクロ波吸収率を上げることが望ましい。このマイクロ波吸収率は、プラズマＰの電子密度に依存する。
【００２７】
そして、本実施形態によれば、導波体５４に遷移領域５４Ｔを設けることにより、プラズマＰの電子密度によらず、常に高いマイクロ波吸収率を得ることができる。その結果として、プラズマＰの電子密度がどのような値であっても、常にプラズマＰの生成・維持の効率を上げることができる。以下、この理由について詳述する。
【００２８】
図２は、マイクロ波が表面波として伝搬する様子を表した概念図である。すなわち、外部から供給されたマイクロ波Ｍは、図２（ａ）に表したように、導波体５４の表面を伝搬し、導波体５４とプラズマＰとの界面を進行して、プラズマＰにエネルギーを与える。この時、導波体５４とプラズマＰとの界面の近傍における電界分布は、図２（ｂ）に表したように、導波体５４の表面においてほぼ最大となる。
【００２９】
前述したように、プラズマＰの生成・維持の効率を上げるためには、マイクロ波Ｍに対する吸収率（Ａ）を上げることが必要である。マイクロ波吸収率Ａは、プラズマＰの誘電率εpと、導波体５４の誘電率εdとに依存し、次式により表すことができる。
【数１】
2005353364.tif 000003
ここで、αは（Np/m）という単位で表した表面波減衰係数であり、νは電子と中性子との衝突周波数、ｃは光速、ｎeはプラズマの電子密度、ｎcはカットオフ密度である。  
プラズマＰの誘電率εpは、プラズマの電子密度ｎeとカットオフ密度ｎcとにより決定され、次式により表される。
【数２】
2005353364.tif 000004
カットオフ密度は、周波数ｆにより決定され、次式により表される。
【数３】
2005353364.tif 000005
（３）式から、周波数ｆが一定であれば、カットオフ密度ｎcも一定となることが分かる。例えば、周波数ｆ＝２．４５ＧＨｚの場合、カットオフ密度ｎc＝７．４×１０１０ｃｍ−３となる。
【００３０】
プラズマＰの誘電率εpと、導波体５４の誘電率εdとが次式の関係にある状態を「表面波共振（surface wave resonance）」と称することとする。
【数４】
2005353364.tif 000006
この状態においては、マイクロ波Ｍの表面波のエネルギーは高い効率でプラズマＰに伝搬される。（４）式に（２）式を代入すると、表面波共振が生ずるための電子密度ｎswrは、次式の如くである。
【数５】
2005353364.tif 000007
プラズマＰの電子密度ｎeがｎswrに近いほどマイクロ波Ｍに対する吸収率が高くなる。逆に、プラズマＰの電子密度ｎeがｎswrから離れるほどマイクロ波Ｍに対する吸収率は低くなる。
【００３１】
つまり、表面波プラズマ源の場合、プラズマＰの電子密度ｎeが「表面波共振」が生ずる電子密度ｎswrから離れた条件において、高い効率でプラズマＰを生成し維持することはできない。従って、高い電子密度のプラズマＰを生成させる場合には、導波体５４の誘電率εdを上げる必要がある。例えば、誘電率εdが約３．８の石英の代わりに、εdが約１０のアルミナセラミックを用いることにより対処する。
【００３２】
しかし、導波体５４の誘電率εｄを上げた場合、それよりも密度の低いプラズマＰに対しては「表面波共振」が得られず、マイクロ波Ｍの吸収率が低下してプラズマＰの生成・維持の効率が下がることとなる。つまり、従来の表面波プラズマ源の場合、導波体５４の誘電率εｄに応じて効率よく生成・維持できるプラズマの電子密度が決定されてしまう。
【００３３】
これに対して、本発明者らが非特許文献１において開示した構造においては、「表面波共振」が生ずる電子密度が２種類に増加する。
【００３４】
図３は、非特許文献１において本発明者らが開示した導波体の表面付近を拡大して表した模式断面図である。すなわち、誘電体からなる導波体５４の表面に、断面が矩形状の凹凸５６が設けられている。導波体５４を構成する誘電体の誘電率をεdとした場合、凹凸５６の部分における実効的な（effective）誘電率εeffは、次式により表され、誘電体の誘電率εdとプラズマＰの誘電率εpとの中間的な値となる。
【数６】
2005353364.tif 000008
ここで、γ＝ｓ／ρ を「充填率（filling factor）」と称することとする。なお、これは、導波体の凸部に沿って表面波が伝搬する例である。充填率γを変えることにより、凹凸５６の部分の実効的な誘電率εeff を変えることができる。このように、導波体５４の誘電率に分布が生じた場合、「表面波共振」の条件も、図３に表したうに、その位置によって変わる。すなわち、凹凸５６の根本５６Ａでは、εeff＝−εd であり、凹凸５６の先端５６Ｂでは、  εp＝−εeff である。（５）式及び（６）式を用いると、「表面波共振」が生ずるための電子密度ｎswrは、凹凸５６の根本５６Ａ及び先端５６Ｂにおいて、それぞれ次式により表される。
【数７】
2005353364.tif 000009
例えば、γ＝５０％、周波数ｆ＝２．４５ＧＨｚ、誘電率εd＝３．８（石英）の場合、「表面波共振」が生ずるための電子密度ｎswrは、凹凸５６の根本５６Ａ及び先端５６Ｂにおいて、それぞれ次式により表される。
【数８】
2005353364.tif 000010
つまり、充填率γが５０％の凹凸５６を設けることにより、界面における実効的な誘電率を３倍に変化させることが可能となる。  
しかし、この方法の場合にも、「表面波共振」が生ずる電子密度は２種類しか存在せず、これらいずれにも対応しない電子密度のプラズマは、マイクロ波吸収率が低くて生成・維持の効率が低くなるという問題がある。
【００３５】
これに対して、本発明においては、図１に表したように、導波体５４の表面において、充填率γをその高さ方向に対して略連続的に変化させることにより、実効的な誘電率εeffを略連続的に変化させる。こうすることにより、導波体５４の表面付近において、幅広い範囲の電子密度に対応するプラズマに対して、「表面波共振」の条件を満たすことができる。
【００３６】
図４は、プラズマが生成された状態での誘電率の分布を例示するグラフ図である。  
すなわち、導波体５４の表面（プラズマ側）が平坦面の場合、図４（ａ）に表したように誘電率は２値的に変化する。すなわち、導波体５４を構成する誘電体の誘電率εd と、プラズマの誘電率εp と、の間で２値的且つ不連続的に変化する。
【００３７】
図４（ａ）に表した誘電率分布の場合には、（４）式に表したように、プラズマの誘電率εp が−εd に等しい場合のみ、「表面波共振」の条件が満足される。すなわち、プラズマの電子密度も、（５）式により表される電子密度ｎswr に等しい場合のみ、「表面波共振」の条件が満足されてマイクロ波の吸収率が高くなる。従って、プラズマが、それ以外の電子密度を有する場合には、「表面波共振」の条件は満足されず、マイクロ波の吸収率が低下するため、プラズマの生成・維持の効率が低くなる。
【００３８】
一方、図４（ｂ）に表した誘電率分布は、図３に表したように矩形状の断面を有する凹凸５６が設けられた場合に対応する。この構造の場合、凹凸５６の部分における実効的な誘電率εeff は（６）式により表した如くであり、充填率γの値に応じて、導波体５４を構成する誘電体の誘電率εpとプラズマの誘電率εpとの間の値を有する。
【００３９】
これに対して、本発明においては、図４（ｃ）及び（ｄ）に例示した如く、誘電率が連続的に変化する。すなわち、本発明においては、導波体５４の表面（プラズマ側）付近に、複数の突起などからなる遷移領域５４Ｔを設けることにより、実効的な誘電率εeff を略連続的に変化させる。
【００４０】
例えば、図４（ｃ）に表した具体例の場合、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff を誘電率εd からεp に至るまでの範囲に亘り、連続的に変化させることができる。  
また、図４（ｄ）に表した具体例の場合、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff をεeff1 からεeff2 に至るまでの範囲に亘って連続的に変化させることができる。
【００４１】
このようにすれば、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff が変化している範囲に対応して、幅広い電子密度のプラズマに対して、「表面波共振」の条件を満足させることができる。つまり、プラズマの電子密度によらずに、高いマイクロ波吸収率を実現し、プラズマの生成・維持の効率を上げることができる。  
図５は、プラズマの強度が変化した時の遷移領域の誘電率の分布を例示するグラフ図である。  
すなわち、プラズマを生成する前は、同図（ａ）に表したように遷移領域５４Ｔにおいて誘電率εeff は、εd からゼロに所定の分布で変化する。
【００４２】
プラズマ処理装置にマイクロ波を導入してプラズマが生成する過程などにおいて、プラズマ強度が弱い場合には、図５（ｂ）に表したように、プラズマＰの誘電率εp の絶対値も小さい。これに対して、遷移領域５４Ｔにおける誘電率εeff は、プラズマＰの誘電率εpと誘電体の誘電率εｄとの間に連続的に分布している。従って、遷移領域５４Ｔにおいて、プラズマＰの誘電率εpに対応して「表面波共振」を生ずる誘電率εeffを有する部分があり、この部分で「表面波共振」が生ずる。
【００４３】
プラズマＰの強度がさらに強くなった時も、図５（ｃ）及び（ｄ）に表した如く、遷移領域５４Ｔにおいて、プラズマＰの誘電率εpに対応して「表面波共振」を生ずる誘電率εeffを有する部分があり、この部分で「表面波共振」が生ずる。
【００４４】
このように、本発明によれば、遷移領域５４Ｔにおいて誘電率を略連続的に変化させることにより、プラズマの状態によらずに常に「表面波共振」を生ずることができる。その結果として、マイクロ波吸収率を常に高く維持し、プラズマの生成と維持の効率を上げることができる。
【００４５】
従って、例えば、プラズマＰの点火の際に、低い電子密度においても高いマイクロ波吸収率が得られるので、安定してプラズマを点火させ、マイクロ波からエネルギーを投入して速やかに電子密度を所定値のレベルに上昇させることができる。  
また、プラズマＰを生成して運転中に、その電子密度が不必要に変動したような場合にも、マイクロ波の吸収率が低下してプラズマが失火するような問題を解消でき、常に高いマイクロ波吸収率を与えることにより、高い効率でプラズマを維持し、所定値の電子密度にフィードバックさせることができる。  
またさらに、プラズマＰの電子密度を変えたいような場合にも、常に高いマイクロ波吸収率を与えることにより、常に高い効率でプラズマを生成・維持することができる。
【００４６】
なお、図４（ｃ）及び（ｄ）及び図５は一例に過ぎず、遷移領域５４Ｔにおける誘電率εeff の分布としては、この他にも各種の分布を与えることができる。
【００４７】
図６は、遷移領域５４Ｔにおける誘電率εeff の分布を例示するグラフ図である。すなわち、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff は、図６（ａ）に表したように略直線状に変化してもよく、また、図６（ｂ）に表したように階段状に変化してもよい。階段状に変化させた場合、厳密には連続的とはいえないが、「表面波共振」の条件が満足される場合が増える点で有利であり、変化のステップを細かくすれば実質的に連続的な変化と同等の効果を得ることもできる。
【００４８】
図７は、本発明において用いることができる導波体５４の形状を例示する模式図である。  まず、同図（ａ）に表した具体例の場合、導波体５４の表面（プラズマ側）に、断面が略三角形状の複数のストライプ状の凸部５４Ｐが設けられている。これら凸部５４Ｐの設けられた領域が遷移領域５４Ｔとして作用する。断面が略三角形状の凸部５４Ｐを設けた場合、図４（ｃ）あるいは図６（ａ）などに例示した如く、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff の最大値と最小値を、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εp にまで拡げることができる。凸部５４Ｐの高さ、すなわち遷移領域５４Ｔの幅（厚み）は、マイクロ波の波長よりも小さいことが望ましく、典型的には、例えば数ミリメータ程度とすればよい。
【００４９】
次に、図７（ｂ）に表した具体例の場合、導波体５４の表面（プラズマ側）に、断面が略台形状の複数のストライプ状の凸部５４Ｐが設けられている。これら凸部５４Ｐの設けられた領域が遷移領域５４Ｔとして作用する。断面が略台形状の凸部を設けた場合には、図４（ｄ）に例示した如く、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff の最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εp にまでは至らない。
【００５０】
次に、図７（ｃ）に表した具体例の場合、導波体５４の表面（プラズマ側）に、断面が略台形状でありその側面が湾曲した複数のストライプ状の凸部５４Ｐが設けられている。これら凸部５４Ｐの設けられた領域が遷移領域５４Ｔとして作用する。本具体例の場合も、図４（ｄ）に例示した如く、遷移領域５４Ｔの誘電率εeff の最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εp にまでは至らない。
【００５１】
また、図７（ｄ）に表した具体例の場合、導波体５４の表面（プラズマ側）に、断面が先端に向けて略階段状に集束する形状のストライプ状の凸部５４Ｐが設けられている。このように、略階段状の断面形状を採用した場合には、平均の誘電率εeff の変化も略階段状となるが、変化のステップをある程度細かくすれば、誘電率εeff の変化を略連続的、すなわち実質的に連続的なものとすることが可能である。
【００５２】
図８は、本発明において用いることができる導波体５４の他の具体例を表す模式図である。  
すなわち、同図（ａ）に表したように、導波体５４の表面（プラズマ側）に、ピン状あるいはコーン状の複数の突起５４Ｐを設けることにより、実効的な誘電率εeff を略連続的に変化させることができる。
【００５３】
この場合、突起５４Ｐの形状としては、同図（ｂ）に表したように略円錐状でもよく、また、同図（ｃ）に表したように略円錐台状でもよく、また、同図（ｄ）に表したように  曲面回転体状や、同図（ｅ）に表したように、その頂点を切り取った形状でもよい。またさらに、同図（ｆ）に表したように、先端に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。
【００５４】
これらいずれの場合にも、遷移領域５４Ｔにおいて誘電率εeff を連続的または略連続的に変化させることができる。
【００５５】
図９は、本発明において用いることができる導波体５４のさらに他の具体例を表す模式図である。  
すなわち、同図（ａ）に表したように、複数の先絞り状の孔５４Ｈを設けることによっても実効的な誘電率εeff を連続的に変化させることが可能である。  
この場合、孔５４Ｈの形状としては、同図（ｂ）に表したように略円錐状としてもよく、また、同図（ｃ）に表したように略円錐台状、同図（ｄ）に表したように曲面回転体状や、同図（ｅ）に表したようにその頂点を切り取った形状であってもよい。またさらに、同図（ｆ）に表したように、先端（孔の底）に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。
【００５６】
また、図７乃至図９に例示した以外にも、各種の形状を有する凸部、突起、あるいは孔を設けて同様の効果を得ることができる。また、これら凸部、突起、孔を適宜組合せもよい。すなわち、本発明においては、導波体５４の表面（プラズマ側）において、誘電率εeff の連続的な変化が生ずる構造であればよい。
【００５７】
図１０は、以上説明したように遷移領域５４Ｔを設けたプラズマ処理装置の動作を表す概念図である。すなわち、導波体５４に遷移領域５４Ｔを設けることにより、プラズマＰが高い効率で生成され、安定して維持される。その結果として、エッチングや薄膜堆積、表面改質などの各種のプラズマ処理を安定して実施することができる。
【００５８】
またさらに、本発明においては、プラズマＰの分布にあわせて、遷移領域５４Ｔにおける誘電率εeff の変化特性にも分布を設けることができる。  
図１１は、プラズマＰに分布がある場合の具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）は、プラズマＰの電子密度ｎeの分布を例示するグラフである。同図の横軸は導波体５４の主面に対して平行な方向を表し、縦軸は電子密度を表す。このように、プラズマＰの電子密度ｎeが、導波体５４の中央において高く、周辺において低い分布をとる場合がある。
一方、従来の導波体のように、表面波共振が生ずるための電子密度ｎswrが一定であると、図１１（ａ）に表したように、共振条件が満足されるのは、同図において２点のみである。
これに対して、例えば、図１１（ｂ）に表したように、導波体５４の凸部５４Ｐの幅に分布を与えることができる。つまり、導波体５４の中央付近において凸部５４Ｐの幅を広く、周辺において凸部５４のＰの幅を狭くする。
この場合の充填率γのは、図１１（ｃ）に表したように、略段階的な分布を有する。つまり、充填率γは、導波体５４の中央付近で高く、周辺において低くなる。  
このように充填率γに最適な分布を設けると、図１１（ｄ）に「resonance」と表したように、プラズマＰの電子密度ｎeの分布と、導波体５４の表面波共振が生ずるための電子密度ｎswrとをほぼ一致させることができる。つまり、プラズマＰの全体にわたって共振条件を満足させることにより、高い効率でプラズマＰを生成できる。
以上、図１乃至図１１を参照しつつ、略平面状の導波体５４を用いたプラズマ処理装置について説明した。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、例えば放電管の内部においてプラズマを生成するプラズマ発生装置についても同様に適用して同様の効果が得られる。
【００５９】
図１２（ａ）は、放電管を用いたプラズマ発生装置を表す概念図である。すなわち、石英やアルミナなどの誘電体からなる放電管５８の内部は、図示しない真空排気系及びガス導入系に接続され、その内部が所定のガス雰囲気に維持可能とされている。図示しないマイクロ波電源から供給されたマイクロ波Ｍは、導入部５３において導入部放電管５８に導入される。マイクロ波Ｍは、放電管５８の表面を表面波ＳＷとして伝搬し、放電管５８とプラズマＰとの界面を進行して、プラズマＰにエネルギーを与える。この時、放電管５８とプラズマＰとの界面の近傍における電界分布は、図１２（ｂ）に表したように、放電管５８の壁面においてほぼ最大となる。  
このような放電管を用いたプラズマ発生装置の場合も、本発明を適用して遷移領域を設けることにより、プラズマの生成・維持の効率を高くすることができる。
【００６０】
図１３は、本発明を適用した放電管型のプラズマ発生装置を表す概念図である。  
すなわち、放電管５８の内側（プラズマ側）に、遷移領域５８Ｔが設けられている。遷移領域５８Ｔは、図１乃至図１１に関して前述したように、放電管５８を構成する誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εp との合成的な誘電率εeffが、プラズマＰの側に向かって連続的または略連続的に変化する領域である。
【００６１】
このような遷移領域５８Ｔを設けることにより、プラズマＰの電子密度の幅広い範囲において「表面波共振」の条件が満足され、プラズマＰの生成・維持の効率を上げることができる。本発明によれば、このようにして高い効率で安定して生成されたプラズマＰを用い、放電管５８の中に被処理物を配置してエッチングや薄膜堆積などのプラズマ処理を施してもよく、または、プラズマＰにより生成されたラジカルなどの活性種を図示しない処理室に導入して、被処理物に対するエッチングや薄膜堆積などの処理を実施してもよい。そして、いずれの場合にも、遷移領域５８Ｔを設けることにより高い効率で安定したプラズマＰを生成できるので、高速で安定したプラズマ処理を実施できる。
【００６２】
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００６３】
例えば、本発明において用いる導波管、導波体、処理室、ステージ、放電管あるいはマイクロ波電源などの要素は、前述した形状、サイズのものには限定されず、その断面形状、壁面厚、開口の形状やサイズなどは適宜変更して同様の作用効果が得られ、本発明の範囲に包含される。
【００６４】
さらにまた、上述した具体例においては、プラズマ生成部および処理部の要部構成のみ説明したが、本発明は、このようなプラズマ生成部や処理部を有する全てのプラズマ処理装置も包含し、例えば、エッチング装置、アッシング装置、薄膜堆積装置、表面処理装置、プラズマドーピング装置などとして実現したプラズマ処理装置のいずれもが本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構造を例示する模式断面図である。
【図２】マイクロ波が表面波として伝搬する様子を表した概念図である。
【図３】非特許文献１において本発明者らが開示した導波体の表面付近を拡大して表した模式断面図である。
【図４】プラズマが生成された状態での誘電率の分布を例示するグラフ図である。
【図５】プラズマの強度が変化した時の遷移領域の誘電率の分布を例示するグラフ図である。
【図６】遷移領域５４Ｔにおける誘電率εeff の分布を例示するグラフ図である。
【図７】本発明において用いることができる導波体５４の形状を例示する模式図である。
【図８】本発明において用いることができる導波体５４の他の具体例を表す模式図である。
【図９】発明において用いることができる導波体５４のさらに他の具体例を表す模式図である。
【図１０】遷移領域５４Ｔを設けたプラズマ処理装置の動作を表す概念図である。
【図１１】プラズマＰに分布がある場合の具体例を表す模式図である。
【図１２】（ａ）は、放電管を用いたプラズマ発生装置を表す概念図であり、（ｂ）はマイクロ波の電界分布を表すグラフ図である。
【図１３】本発明を適用した放電管型のプラズマ発生装置を表す概念図である。
【図１４】特許文献１に開示されているプラズマ処理装置の誘電体窓をプラズマ側から眺めた斜視図である。
【図１５】本発明者らが発明したプラズマ発生装置の要部を表す模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０ チャンバ
１６ ステージ
２２ 線状突起
５０ 導波管
５２ スロットアンテナ
５３ 導入部
５４ 導波体（透過窓）
５４Ｈ 孔
５４Ｐ 凸部（突起）
５４Ｔ 遷移領域
５６ 凹凸
５６Ａ 根本
５６Ｂ 先端
５８ 放電管
５８Ｔ 遷移領域
６５ 誘電体窓
６６ 溝
Ｅ 真空排気系
Ｍ マイクロ波
Ｐ プラズマ
ＳＷ 表面波
Ｗ 被処理物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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